超强太空级3D打印材料Z-PEEK
导读：航空航天材料因为需要经受特殊的太空环境，需要具有抗辐射、耐高温和耐磨性。在3D打印领域，制造商通常会选用PEEK材料进行改性。波兰zortrax为Endureal 工业 3D 打印机开发超强太空级长丝Z-PEEK，且已在近地轨道及更远的空间环境中成功测试。
南极熊获悉，波兰 3D 打印机制造商Zortrax于2021年5月31日推出了新型太空级3D打印长丝：Z-PEEK。据悉，Z-PEEK 的强度重量比与不锈钢相当，能够承受极端温度。Z-PEEK制成的聚合物-金属齿轮副能够以 1600 转/分钟的速度工作，并被发射到国际空间站，在没有屏蔽的情况下暴露在太空环境中46 个月。目前，Zortrax已将材料制成适配于Endureal工业 3D 打印机的长丝。
△用Z-PEEK打印的航天器万向节抗辐射轴承环。照片来自 Zortrax。
Z-PEEK材料
经测试，3D打印Z-PEEK的拉伸强度为100MPa，断裂伸长率为28%，弯曲强度为130MPa。耐辐射、耐极端温度和长期磨损。据 Zortrax称，材料已在欧洲航天局（ESA）位于荷兰的ESTEC通过热真空空间资格测试。测试中，Z-PEEK 在-70°C~130°C 之间进行了 500 次循环，测试结果对结构或机械性能没有不利影响。而快速冷却测试结果表明，材料能够承受低至-196°C的低温。
△Z-PEEK足够坚固，可在负载下高速运行齿轮。照片来自 Zortrax。
其他研究证实，在聚合物-金属滑动系统中，Z-PEEK在 1600 rpm、1 Nm 负载下进行了超过 2200 万次循环测试。并且产生的碎屑很少，使用寿命超过了同类产品。Z-PEEK还具有出色的耐化学性，可以与各种润滑剂一起使用，确保机械设备顺利运行。此外，材料能够承受很大压力并且具有特别低的渗透性。能够作为化工或石油工业中泵、密封件或垫圈材料。
△耐压泵：分离式支撑结构可以搭配使用Z-PEEK与Z-SUPPORT HT。
目前，Zortrax 正在使Z-PEEK 可在 Endureal 机器上使用，并与Z-SUPPORTHT支撑材料配合打印。公司建议在使用材料之前采用自动干燥程序，并在打印完成后采用自动退火过程。这两个步骤都可以用 Endureal打印机执行。
3D打印的太空挑战
太空不同于地球，没有空气、没有对流、没有传热过程，环境热量分布极其不均匀。近地球轨道上的航天器面对太阳的表面暴露在高达140 °C 的温度下，而背对太阳的表面冷却至 -100 °C。因此，对材料的需求特别具有挑战性。太空材料需要同时承受两种极端温度，在极热和极冷条件下都能够正常工作，并且能够适应温度的快速变化。另外，因为宇宙中的辐射问题，在为空间应用选择材料时，长期辐射、原子氧轰击和发射过程中暴露在外的强振动部件等因素都需要考虑在内。
△3D 打印 PEEK 垫片：Z-PEEK打印的石油行业管道密封件。
为了测试 PEEK 的太空准备情况，日本航天局JAXA将Z-PEEK样品发射到国际空间站并进行了彻底的测试。作为 MPAC 和 SEED 实验的一部分，在轨道上，测试样品在没有任何屏蔽的情况下暴露在太空环境中长达46 个月。更重要的是，样品被放置在支架中，施加不同程度的应力，以检查空间条件是否对 PEEK 机械性能有任何影响。检查后，除了轻微变色和脆性增加外，PEEK 没有任何明显降解迹象。材料的弹性模量因为在高水平紫外线照射下有所降低，而然原子氧轰击、带电粒子和其他条件对PEEK 没有影响。这表明Z-PEEK 能够胜任各种太空任务。
△Zortrax的 Endureal 系统，用于 3D 打印 Z-PEEK 零件。照片来自 Zortrax。
从远古时代开始对于太空探索就有着无可比拟的热忱，3D打印技术的出现有望降低太空探索的成本，成为走向太空的一大利器。NASA已经计划使用大型3D打印技术制造火箭发动机；美国德州的火箭工程实验室也受到EOS的支持制造3D打印火箭发动机组件；加州火箭和导弹推进器制造商Aerojet Rocketdyne更是在2021年5月完成了RL10C-X上层火箭发动机的热火测试。3D打印技术还在其他方面对太空探索做出贡献：上海复志Raise3D为SpaceX火箭回收再发射提速；ICON为美国阿尔忒弥斯登月计划学生建造3D打印火箭发射台。为加速3D打印在太空中的应用，各个国家正在积极部署、开发新型太空工业级3D打印系统。例如，英国太空发射公司Orbex委托AMCM建造欧洲最大SLM 3D打印机，欧洲航天局ESA与德国航空航天公司OHB和Azimut Space、爱尔兰共和国阿斯隆技术学院以及葡萄牙3D打印机提供商BEEVERYCREATIVE积极开发无限尺寸FFF高温3D打印机。而太空3D打印制造公司Redwire也随着发展浪潮在纽交所SPAC上市。南极熊相信，3D打印技术在未来会更加深入航空航天领域，为人类的太空事业做出贡献。
参考资料
1. Z-PEEK: Space-Grade 3D Printing Filament
2. 3D打印推动太空探索的成本下降，将成为人类走向太空的一大利器
3. NASA将会使用大型3D打印技术来制造未来的火箭发动机
4. EOS支持德州大学学生参加太空挑战赛，3D打印火箭发动机组件
5. 完成热火测试！3D打印火箭发动机有望飞向太空，AerojetRocketdyne
6. 上海复志Raise3D为SpaceX火箭回收再发射提速
7. ICON为美国阿尔忒弥斯登月计划学生建造3D打印火箭发射台
8. 打印火箭！英国太空发射公司Orbex委托AMCM建造欧洲最大SLM 3D打印机
9. 太空制造：无限尺寸高温FFF 3D打印机，欧洲航天局资助
10. 太空3D打印制造公司Redwire将借壳在纽交所上市
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